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Dokumentenidentifikation DE69730921T2 23.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000822394
Titel Optisches Messgerät mit wellenlängenselektiver Lichtquelle
Anmelder ARKRAY, Inc., Kyoto, JP
Erfinder Ohtsuka, Kazushi, Higashikujo, Kyoto 601, JP;
Kexin, Xu, Higashikujo, Kyoto 601, JP
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 69730921
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.07.1997
EP-Aktenzeichen 971130232
EP-Offenlegungsdatum 04.02.1998
EP date of grant 29.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.2006
IPC-Hauptklasse G01J 3/12(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G01J 1/16(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      G01J 1/44(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Photoerfassungsvorrichtung, die eine Drift oder eine Weißrauschkomponente von einem schwachen Messsignal beseitigen und das Signal mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis verstärken kann, die geeignet ist, bei einer Messvorrichtung zum optischen Messen einer spezifischen Substanz, wie zum Beispiel Glukose oder Hämoglobin in Blut oder Urin oder in Zucker in einer Frucht, die in einer Streusubstanz, wie zum Beispiel einer Flüssigkeit, einem Nahrungsmittel oder dem menschlichen Körper enthalten ist, verwendet zu werden.

Beschreibung des Stands der Technik

In den letzten Jahren wurde eine optische Messung durch ein Bestrahlen eines Zielobjekts mit Licht und dann ein Verwenden von Ausgangslicht von dem Zielobjekt durchgeführt. In der Beschreibung bezeichnet der Begriff „Ausgangslicht" jedes Licht, das in ein Lichtstreuzielobjekt eintritt und aus diesem Zielobjekt austritt, einschließlich einem so genannten Durchlicht (das in der Richtung des Einfalls des Lichts austritt) sowie einem so genannten reflektierten Licht (das in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung des Einfalls austritt).

Bei einer derartigen Messung wird die Intensität des Ausgangslichts, das durch das Bestrahlen des Zielobjekts erhalten wird, für jede Wellenlänge gemessen, um Informationen bezüglich des Zielobjekts zu erhalten. Deshalb ist es notwendig, das Licht, das an das Zielobjekt angelegt ist, oder das Ausgangslicht in seine Spektralkomponenten zu zerlegen.

Verschiedene Systeme werden als spektroskopische Einrichtung verwendet. Ein allgemein verwendetes System zum Zerlegen von Licht einer kontinuierlichen Wellenlänge in seine Spektralkomponenten durch ein FTIR (Fourier-Transformations-Infrarot-Spektralphotometer) oder Bewegung eines Teiles, wie zum Beispiel eines optischen Gitters, weist das Problem auf, das die Messzeit verlängert wird, und etwas wie eine Drift der Lichtmenge tritt mit großer Wahrscheinlichkeit auf, was die Genauigkeit beeinflusst. Eine Spektralzerlegung bei einer zerlegten Wellenlänge, die ein Filter als ein spektroskopisches Element oder eine LD (Laserdiode) oder eine LED (Licht emittierende Diode) als eine Lichtquelle verwendet, beansprucht viel Zeit, wenn die Wellenlängenanzahl erhöht wird, was nicht nur die Kosten erhöht, sondern auch einen Wechsel bei der verwendeten Hardware, wie zum Beispiel dem Filter oder der Lichtquelle selbst, nötig macht, was zu einer Zunahme der Anzahl notwendiger Teile führt.

Andererseits wird eine akustooptische Vorrichtung (akustooptisches abstimmbares Filter: AOTF) als ein Spektroskop in Kombination mit einer kontinuierlichen Lichtquelle und dem Spektroskop verwendet. Die akustooptische Vorrichtung wird erhalten durch ein Befestigen eines akustischen Wellenwandlers an einem akustooptischen Kristall, um eine Wellenlänge auszuwählen, die durch den Kristall durch eine akustische Wellenfrequenz (Hochfrequenz (HF)) transmittiert wird. Die akustooptische Vorrichtung weist keine sich mechanisch beweglichen Teile auf und ist zu einem Wellenlängenabtasten mit einer hohen Geschwindigkeit in der Lage. Ein Spektralphotometer, das die akustooptische Vorrichtung verwendet, ist im Handel erhältlich.

Bezüglich eines Messverfahrens, das die akustooptische Vorrichtung als ein spektroskopisches Element verwendet, gibt es z. B. ein Verfahren zum Messen des Absorptionsunterschieds zweier Wellenlängen (EP401453A1) und ein Verfahren zum Messen des abweichenden Spektrums eines Gewebes eines Zielobjekts in Zuständen mit unterschiedlichem Blutvolumen (USP5,372,135).

Während das Relativmessverfahren, wie zum Beispiel die Zwei-Wellenlängen-Messung, eine Komponente in einem einfachen System, wie zum Beispiel einem System einer wässrigen Lösung, das nur eine einzige Komponente enthält, mit hoher Genauigkeit messen kann, ist es extrem schwierig, jeweilige Komponenten im Hinblick auf komplizierte Systeme, wie zum Beispiel Nahrungsmittel oder den menschlichen Körper, die aus einer Anzahl von Komponenten zusammengesetzt sind, genau zu messen. Wenn sich Zielobjekte unterscheiden, können Veränderungen bei einer einzigen Komponente gleich bleiben, aber die verbleibenden Komponenten verändern sich in unterschiedlichen Verhältnissen, und daher ist es schwierig, eine Veränderung einer beobachteten Komponente lediglich aus dem Unterschied zwischen Werten, die bei zwei Wellenlängen gemessen werden, zu extrahieren. Außerdem ist es notwendig, extrem schwache Signale zu extrahieren, während sich Fehler aus einer Veränderung der Bedingungen, wie zum Beispiel Drücke, Oberflächenreflexionsgrade, Weglängen usw., für die Blutvolumina der gemessenen Teile ergeben, und daher ist es auch schwierig, ein einziges Signal einer beobachteten Komponente aus Signalen zu extrahieren, die derartige Schwankungsfehler enthalten.

Wenn das Ausgangslicht von einer Probe gemessen wird, und das gemessene Licht so extrem schwach ist, dass das Erfassungssignal und die Rauschintensität zueinander äquivalent sind, kann ein Ausgangssignal mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis nicht durch einen allgemeinen Verstärker erhalten werden. Zum Beispiel veranschaulicht 1 ein Absorptionsspektrum von Wasser, und, wie aus diesem Spektrum zu entnehmen ist, variiert die Absorbanz beträchtlich mit der Spektralwellenlänge. Im Allgemeinen variiert die Erfassungsintensität von Ausgangslicht von einer Probe ebenfalls beträchtlich mit der Wellenlänge. Wenn ein Messsignal von einem Detektor sich über einen großen Bereich verändert, kann das Messsignal in einer schwachen Wellenlängenregion in einem Verstärker sein, der seinen Verstärkungsgrad konstant hält, und das Signal genügt eventuell nicht einer Auflösung, wenn dasselbe in einem Computer durch einen A-D-Wandler wiedergewonnen wird, was eine Reduzierung der Messauflösung zur Folge hat.

Um die Reinheit einer Spektralwellenlänge bei einer akustooptischen Vorrichtung zu verbessern, muss der Einfall des Lichts auf diese akustooptische Vorrichtung konstanten optischen Bedingungen genügen. Bei einem herkömmlichen Spektralphotometer ist jedoch eine Einstellung eines Lichtflusses, der auf eine akustooptische Vorrichtung von einer Lichtquelle einfällt, unzureichend, da die Rate von Licht nullter Ordnung, das in Beugungslicht positiver oder negativer erster Ordnung enthalten ist, groß ist, und es lässt sich nicht sagen, dass die Reinheit der Spektralwellenlänge ausreichend groß ist.

Außerdem unterscheidet sich Beugungslicht positiver oder negativer erster Ordnung, das aus der akustooptischen Vorrichtung austritt, in der Richtung von dem Licht nullter Ordnung, ist jedoch ähnlich genug, dass das Licht nullter Ordnung ohne Weiteres in das extrahierte Beugungslicht positiver oder negativer erster Ordnung gemischt wird.

Um ein Messsignal zu messen, wo sich die Intensität über einen großen Bereich verändert, während eine Auflösung beibehalten wird, muss der Verstärkungsgrad umgeschaltet werden. Im Fall eines Messens eines Spektrums mit einem großen dynamischen Bereich (wie zum Beispiel in 1 gezeigt) ist es notwendig, den Verstärkungsgrad umzuschalten, wodurch derselbe für ein Signal geringer Stärke erhöht wird und für ein Signal mit großer Stärke verringert wird, sodass der gemessene Wert nicht durch eine Halbleiterrelaisschaltung, wie zum Beispiel ein Multiplexer, gesättigt wird. Bei der Messung ergibt sich ein Pulsrauschen aus einer derartigen Umschaltoperation und beeinflusst den gemessenen Wert, was Fehler verursacht.

In dem Fall eines Verstärkens eines extrem schwachen Signals, wie zum Beispiel der Messsignalspannung eines Rauschpegels, der wenig höher als das Hitzerauschen eines Schaltungselements ist, wird das Rauschen auch gleichzeitig bei einem Verstärkungsverfahren durch eine Rückkopplungsverstärkerschaltung verstärkt, die eine Transistorschaltung oder eine Differenzverstärkerschaltung, die einen Operationsverstärker verwendet, verwendet, und somit kann das Messsignal nicht von dem Rauschen unterschieden werden. Somit wird eine Schaltungsstruktur zum Unterdrücken des Rauschens, das sich aus der Schaltung selbst ergibt, sowie zum Beseitigen des Einflusses von einer Störung außerhalb der Vorrichtung unter dem Pegel des Messsignals benötigt.

Ein Wert von zumindest 100 000 ist für das Signal-Rausch-Verhältnis notwendig. Bei einer herkömmlichen Vorrichtung liegt das Signal-Rausch-Verhältnis bei dem FTIR jedoch bei einem Grad, der 10 000 nicht überschreitet.

Um einen Einfluss durch Rauschen (weißes Rauschen), dessen Frequenzband gleichmäßig verteilt ist, zu beseitigen, ist es notwendig, den gemessenen Wert durch ein wiederholtes Durchführen einer Messung und einer Integrationsverarbeitung bei dem Messwellenlängeband zu mitteln.

Selbst wenn mehr als eine Messwellenlänge vorliegen, wird ein Einfluss ausgeübt durch eine Langperiodenschwankung (Drift) des Messsignals, außer die Messung wird in einer kurzen Zeit durchgeführt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Photoerfassungsvorrichtung zu schaffen, die eine Messungsgenauigkeit im Fall eines Messens schwacher Signale durch ein Beseitigen der Driftkomponente eines gemessenen Wertes verbessert.

Diese Aufgabe wird durch eine Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist angepasst, um eine Messungsgenauigkeit durch ein Beeinflussen des Grads eines Verstärkungsgrads ansprechend auf die Stärke eines Signals zu verbessern. Die Photoerfassungsvorrichtung verstärkt gleichzeitig Signalwerte von einem Erfassungselement durch einen Verstärker mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Verstärkungsgraden, A-D-wandelt die Ausgangssignale desselben und wählt ein Signal aus, das maximal verstärkt ist ohne eine Sättigung unter den Signalen, wodurch das Auftreten eines Pulsrauschens unterdrückt wird, das sich ergeben hätte können, wäre eine Schaltvorrichtung, wie zum Beispiel eine Relaisschaltung oder ein Multiplexer, verwendet worden. Die Photoerfassungsvorrichtung moduliert ein Messsignal und führt eine synchrone Signalverarbeitung durch, die einem Lock-In-Verarbeiten bei seiner Modulationsfrequenz entspricht, wodurch nur eine Modulationsfrequenzkomponente zum Beseitigen von weißem Rauschen genau extrahiert wird.

Zu diesem Zweck umfasst die Photoerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Modulationseinrichtung, die das Messlicht moduliert, ein Erfassungselement, das ein Signal ansprechend auf das Messlicht ausgibt, einen Verstärker, der das Ausgangssignal des Erfassungselements eingibt und gleichzeitig eine Mehrzahl von Signalen mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden ausgibt, einen A-D-Wandler, der die Mehrzahl von Ausgangssignalen mit unterschiedlichem Verstärkungsgrad von dem Verstärker in digitale Signale umwandelt, und ein Datenverarbeitungsteil. Das Datenverarbeitungsteil weist eine Kanalauswähleinrichtung auf, die die Mehrzahl von Ausgangssignalen des A-D-Wandlers eingibt und einen nicht gesättigten Wert des Verstärkers oder des A-D-Wandlers mit dem größten Verstärkungsgrad von diesen Signalen auswählt, eine synchrone Signalverarbeitungseinrichtung, die das ausgewählte Signal mit einem Oszillationssignal überlagert, das synchron zu der Modulationsfrequenz ist, die das Messlicht moduliert, und eine Integrationseinrichtung, die einen gemessenen Wert durch Integration des Signals, das einer synchronen Signalverarbeitung unterzogen wird, erhält.

Der Begriff „Ausbreitungswinkel" bezeichnet einen Winkel, der durch eine optische Achse des Lichtflusses und die Ausbreitungsrichtung des Strahls in dem Lichtfluss, der im Raum ausgebreitet ist, gebildet wird. Wenn die optische Achse des Lichtflusses senkrecht in die akustooptische Vorrichtung eingebracht wird, trägt nur ein Strahl mit einem Ausbreitungswinkel, der kleiner ist als der zulässige Winkel der akustooptischen Vorrichtung, zu Beugungslicht erster Ordnung bei. Deshalb erhöht sich die Intensität des Beugungslichts erster Ordnung, wenn die Anzahl von Strahlen mit Ausbreitungswinkeln, die kleiner sind als der zulässige Winkel der akustooptischen Vorrichtung, in dem Lichtfluss, der senkrecht in die akustooptische Vorrichtung eintritt, zunimmt. Bevorzugt sollten die Ausbreitungswinkel aller Strahlen, die in die akustooptische Vorrichtung eintreten, kleiner sein als der zulässige Winkel der akustooptischen Vorrichtung.

Während die optische Achse des Lichtflusses, der in die akustooptische Vorrichtung eintritt, bevorzugt senkrecht zu einer Einfallsebene der akustooptischen Vorrichtung ist, kann die Richtung der optischen Achse des Lichtflusses, der in die akustooptische Vorrichtung eintritt, auch nicht streng senkrecht zu der Einfallsebene der akustooptischen Vorrichtung sein, falls die Bedingung erfüllt ist, dass ein Winkel, der durch den Strahl, der in dem Lichtfluss enthalten ist, und die senkrechte Richtung bezüglich der Einfallsebene der akustooptischen Vorrichtung gebildet ist, kleiner ist als der zulässige Bereich der akustooptischen Vorrichtung.

Das optische Lichtquellensystem ist eingestellt, um das Licht von der Lichtquelle in die akustooptische Vorrichtung einzubringen in dem Lichtfluss, der kleiner ist als die Größe des Fensters der akustooptischen Vorrichtung, als den Strahl mit einem Ausbreitungswinkel, der kleiner ist als der zulässige Winkel der akustooptischen Vorrichtung, wodurch die Reinheit des Beugungslichts erster Ordnung verbessert und seine Intensität erhöht wird. Außerdem kann die Mischung des Lichts nullter Ordnung in das Beugungslicht erster Ordnung durch ein Kondensieren des Lichts nullter Ordnung, des Beugungslichts positiver erster Ordnung und des Beugungslichts negativer erster Ordnung jeweils an Positionen, die sich räumlich voneinander unterscheiden, unterdrückt werden. Folglich kann Licht einer gewünschten Wellenlänge genau aus der Lichtquelle extrahiert werden.

Ein Wellenlängenabtasten kann mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden durch ein Verändern der akustischen Wellenfrequenz, die durch den akustischen Wellenwandler zu dem akustooptischen Kristall geliefert wird, um das Licht in seine Spektralkomponenten zu zerlegen. Folglich kann die Messzeit verkürzt werden und jede Drift der Lichtmenge in der Messzeit usw. kann unterdrückt werden.

Das Ausgangslicht von der akustooptischen Vorrichtung kann durch eine Stärkemodulation des Treibersignals für den akustischen Wellenwandler oder ein mechanisches Zerhacken des Lichts, das in die akustooptische Vorrichtung eintritt, moduliert werden. Eine modulationssynchrone Erfassung (Wellenerfassung) ermöglicht eine Erfassung eines Lichtsignals durch die Stärkemodulation. Deshalb wird das Ausgangslicht von der akustooptischen Vorrichtung, um weißes Rauschen zu beseitigen, moduliert, wobei das Messsignal moduliert wird, und die synchrone Signalverarbeitung, die einer Lock-In-Verarbeitung entspricht, wird bei der Modulationsfrequenz durchgeführt, wo nur eine Modulationsfrequenzkomponente genau extrahiert werden kann.

Messungsgenauigkeit kann durch ein Beeinflussen des Verstärkungsgrades ansprechend auf die Stärke des Signals verbessert werden. Zu diesem Zeitpunkt kann das Auftreten von Pulsrauschen, das verursacht hätte werden können, wenn eine Schaltvorrichtung, wie zum Beispiel eine Relaisschaltung oder ein Multiplexer, verwendet worden wären, durch ein gleichzeitiges Verstärken der Signalwerte von dem Erfassungselement durch den Verstärker mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Verstärkungsgraden, ein A-D-Wandeln der Ausgangssignale desselben und ein Auswählen eines Signals, das maximal verstärkt ist ohne eine Sättigung, von den Signalen, unterdrückt werden.

Bei der optischen Messvorrichtung, bei der eine Photoerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, erhöht die Lichtquelle, die das Zielobjekt bestrahlt, die Reinheit des Beugungslichts positiver erster Ordnung und des Beugungslichts negativer erster Ordnung, das aus der akustooptischen Vorrichtung austritt, und führt eine Spektralzerlegung und Modulation des Ausgangslichts durch. Während die Erfassungsseite, die das Ausgangslicht von dem Zielobjekt erfasst, die synchrone Signalverarbeitung entsprechend einer Lock-In-Verarbeitung bei der Modulationsfrequenz des Messlichts durchführt zum genauen Extrahieren nur der Modulationsfrequenzkomponente, verstärkt dieselbe gleichzeitig die Erfassungssignale mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Verstärkungsgraden und wählt von diesen Signalen ein Signal aus, das maximal verstärkt ist ohne Sättigung, wodurch ein Pulsrauschen unterdrückt wird. Somit kann eine spezifische Substanz in einer Streusubstanz nicht-invasiv mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Ein bevorzugtes Beispiel des Verstärkers, der gleichzeitig eine Mehrzahl von Signalen mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden ausgibt, ist einer, der eine Eingabepufferschaltung, die ein moduliertes Ausgangssignal des Erfassungselements eingibt, eine Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung, die eine Ausgangsspannungsschwankung der Eingabepufferschaltung durch ein resistives Element in eine Stromschwankung umwandelt, eine Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung, die die Stromschwankung durch die Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung in eine Spannungsschwankung umwandelt, die mit einer vorgeschriebenen Verstärkung mittels eines resistiven Elements verstärkt wird, und eine Verstärkerschaltung, die ein Spannungsschwankungsausgangssignal der Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung durch eine Ausgabepufferschaltung eingibt und eine Mehrzahl von Signalen unterschiedlicher Verstärkungen ausgibt, aufweist. Die Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung und die Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung bilden einen Vorverstärker, während die Verstärkerschaltung, die eine Mehrzahl von Signalen verschiedener Verstärkungen ausgibt, einen Verstärker bildet. Die Verstärkungsgrade werden durch eine Kombination eines Verstärkens der Signale bei einer Spannung-zu-Strom-Umwandlung in dem Vorverstärker und eines weiteren Verstärkens der Signale zum Zeitpunkt einer Strom-zu-Spannung-Umwandlung bestimmt. Die Signale des Vorverstärkers können gleichzeitig von dem Verstärker mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden ausgegeben werden.

Das Datenverarbeitungsteil weist bevorzugt ferner eine Tiefpassfiltereinrichtung, die eine Hochfrequenzkomponente, die für die synchrone Signalverarbeitung unnötig ist, von dem Signal, das durch die Kanalauswähleinrichtung ausgewählt wurde, beseitigt, und eine Datenüberspringungseinrichtung auf, die einen Wert, der von einer Signalfolge extrahiert wird, die durch die Tiefpassfiltereinrichtung durchgeleitet wird, in einem konstanten Intervall jede Einheitsnummer, als einen Signalwert zwischen der Kanalauswähleinrichtung und der synchronen Signalverarbeitungseinrichtung betrachtet. Daten, die bei einer hohen Abtastfrequenz gemessen werden, haben eine große Nyquist-Bandbreite, und somit können Charakteristika eines Tiefpassfilters zum Verhindern von Aliasing-Rauschen gelockert werden. Wenn eine Überspringungsverarbeitung durchgeführt wird, um eine Verarbeitung mit einer kleinen Datenmenge zu ermöglichen, wird eine erscheinende Abtastfrequenz durch die Überspringungsverarbeitung reduziert, und damit ergibt eine Überlagerung Frequenzspektren gemessener Werte. Ein Einfluss durch Rauschen kann durch ein Durchführen der Verarbeitung durch das Tiefpassfilter vor einem Durchführen der Überspringungsverarbeitung beseitigt werden.

Eine Bandpassfilterverarbeitung mit einem Durchlassband in der Nähe der Modulationsfrequenz wird bevorzugt durchgeführt, bevor die synchrone Signalverarbeitung durchgeführt wird.

Die Frequenz des Signals kann von der Modulationsfrequenz verschoben werden, bevor die synchrone Signalverarbeitung durchgeführt wird, und somit kann die Genauigkeit der synchronen Signalverarbeitung durch ein Korrigieren einer derartigen Verschiebung verbessert werden. Somit weist die optische Messvorrichtung bevorzugt ferner eine Frequenzverschiebungskorrektureinrichtung auf, die eine Frequenzverschiebung zwischen der Frequenz des Signals, das in die synchrone Signalverarbeitungseinrichtung eingegeben wird, und der Modulationsfrequenz, die mit Bezug auf ein Taktsignal eines Computers erzeugt wird, misst, und die Synchronisierfrequenz der synchronen Signalverarbeitungseinrichtung auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse korrigiert.

Das Signal, das durch die synchrone Signalverarbeitung moduliert wird, erreicht einen konstanten Wert (Gleichstromkomponente), und damit wird eine Hochfrequenzkomponente bevorzugt durch ein Tiefpassfilter beseitigt. Deshalb weist die optische Messvorrichtung bevorzugt zwischen der synchronen Signalverarbeitungseinrichtung und der Integrationseinrichtung ferner eine Tiefpassfiltereinrichtung auf, die die Hochfrequenzkomponente, die für die synchrone Signalverarbeitung unnötig ist, beseitigt.

Eine digitale Integrationsverarbeitung ist in ihrer Genauigkeit größer, wenn die Zeitkonstante für die Integration erhöht wird. Deshalb kann die Berechnungsgeschwindigkeit durch ein vorhergehendes Konvergieren der Berechnung an einem Wert, der nahe dem echten Wert ist, mit einer kleinen Zeitkonstante und dann ein Konvergieren des Wertes als einem Anfangswert mit einer großen Zeitkonstante verbessert werden.

In dem Fall eines Erzeugens einer Mehrzahl von Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade von dem Verstärker ergeben sich Fehler bei Verstärkungen zwischen Verstärkern mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden. Zum Beispiel ist ein Ausgangssignal mit einem × 100 Verstärkungsgrad nicht unbedingt korrekt das Fünffache von dem mit einem × 20 Verstärkungsgrad. Instrumentenfehler zwischen Signalen mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden können durch ein Eingeben eines konstanten Signals und ein Ausgeben von Signalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade beseitigt werden, wobei Verhältnisse zu einem bestimmten Bezugsausgangssignal genommen werden, wobei dieselben als Korrekturdaten betrachtet werden und dies verwendet wird, um Fehler zwischen den jeweiligen Verstärkungsgraden während der Durchführung des digitalen Verarbeitens zu korrigieren. Somit weist die optische Messvorrichtung bevorzugt ferner eine Instrumentenfehlerbewahrungseinrichtung, die eine Mehrzahl von Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade des Verstärkers, der ein Signal einer konstanten Amplitude empfängt, vergleicht und die Ergebnisse als Instrumentenfehler zwischen Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade bewahrt, und eine Verstärker-Ausgangssignal-Korrektureinrichtung auf, die die Ausgangssignale des Verstärkers mit den Instrumentenfehlern, die in der Instrumentenfehlerbewahrungseinrichtung bewahrt wurden, korrigiert.

Wenn die Leistungsversorgungsspannung des Verstärkers durch ein Messinstrument gemessen wird, um Korrekturen vorzunehmen, indem ein Verhältnis zu einer voreingestellten Bezugsspannung genommen wird, kann eine Verschiebung des absoluten Wertes des gemessenen Wertes korrigiert werden. Somit weist die optische Messvorrichtung bevorzugt ferner eine Messungsergebniskorrektureinrichtung auf, die die Leistungsversorgungsspannung des Verstärkers misst und das Messungsergebnis durch ein Verhältnis zu einer voreingestellten Bezugsspannung korrigiert.

In dem Fall eines gleichzeitigen Messens des Messlichtes und des Bezugslichtes (Licht nullter Ordnung von der akustooptischen Vorrichtung oder Lichtquellenlicht) ist die vorliegende Erfindung bevorzugt so strukturiert, dass das Erfassungselement und der Verstärker sowohl für eine Messlichterfassung als auch eine Bezugslichterfassung vorgesehen sind, der A-D-Wandler angepasst ist, um sowohl ein Messlichterfassungssignal als auch ein Bezugslichterfassungssignal in digitale Signale umzuwandeln, während das Datenverarbeitungsteil eine ähnliche Datenverarbeitung für das Bezuglichterfassungssignal durchführt, wobei das Datenverarbeitungsergebnis des Messlichterfassungssignals durch dasjenige des Bezugslichterfassungssignals geteilt und korrigiert wird.

Die im Vorhergehenden genannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn dieselbe im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 veranschaulicht ein Absorptionsspektrum von Wasser durch ein FTIR;

2 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Beispiel einer optischen Messvorrichtung mit einer Photoerfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

3 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Photoerfassungsvorrichtung zeigt;

4 ist ein Blockdiagramm, das einen Verstärker bei einem Ausführungsbeispiel der Photoerfassungsvorrichtung zeigt;

5 ist ein Blockdiagramm, das eine exemplarische Vorspannungsschaltung eines PbS-Elements bei einem Ausführungsbeispiel der Photoerfassungsvorrichtung zeigt;

6 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Funktion des Datenverarbeitungsteils zeigt; und

7 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Betriebs des Datenverarbeitungsteils zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

2 veranschaulicht schematisch eine optische Messvorrichtung, die eine Photoerfassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist, die eine Lichtausrüstung 202, die ein Zielobjekt 200 mit Licht bestrahlt, eine Photoerfassungsvorrichtung 204, die Ausgangslicht (Durchlicht/Streulicht) durch das Zielobjekt 200 als Messlicht empfängt und erfasst, und ein Steuerteil 206, das die Operationen der Lichtausrüstung 202 und der Photoerfassungsvorrichtung 204 steuert, aufweist.

Die Photoerfassungsvorrichtung 204 weist ein Photoempfangsteil 230 und ein Datenverarbeitungsteil 107 auf. Das Photoempfangsteil 230 weist ein Erfassungselement, das ein Signal ansprechend auf das modulierte Messlicht ausgibt, einen Verstärker, der ein Ausgangssignal des Erfassungselements eingibt und gleichzeitig eine Mehrzahl von Signalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade ausgibt, und einen A-D-Wandler, der die Mehrzahl von Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade von dem Verstärker in digitale Signale umwandelt, auf. Das Datenverarbeitungsteil 107 weist eine Kanalauswähleinrichtung, die die Mehrzahl von Ausgangssignalen von dem A-D-Wandler eingibt und einen nichtgesättigten Wert des Verstärkers oder des A-D-Wandlers auswählt, während der größte Verstärkungsgrad von diesen Signalen aufrechterhalten wird, eine synchrone Signalverarbeitungseinrichtung, die das ausgewählte Signal mit einem Oszillationssignal, das zu der Modulationsfrequenz, die das Messlicht moduliert, synchron ist, überlagert, und eine Integrationseinrichtung, die durch ein Integrieren des Signals, das der synchronen Signalverarbeitung unterzogen wird, einen gemessenen Wert erhält, auf.

Zahlzeichen 240 bezeichnet ein Berechnungsteil, das die Konzentration eines Zielobjekts bei dem Zielobjekt 200 von dem gemessenen Wert, der in dem Datenverarbeitungsteil 107 erhalten wird, berechnet, und Zahlzeichen 242 bezeichnet eine Ausgabeeinheit, wie zum Beispiel einen Drucker, ein Aufnahmegerät oder eine CRT, die das Ergebnis der Messung ausgibt.

3 veranschaulicht schematisch eine exemplarische Photoerfassungsvorrichtung 204. Erfassungselemente 101 bzw. 102 empfangen Messlicht A von Beugungslicht erster Ordnung, das durch eine akustooptische Vorrichtung 4 moduliert wird, und Bezugslicht B von Licht nullter Ordnung, das ähnlich moduliert wird. Die Erfassungselemente 101 und 102 sind PbS-Elemente. Erfassungsausgangssignale der Erfassungselemente 101 und 102 werden in Verstärker 103 und 104 eingegeben und durch dieselben verstärkt, wobei jeder eine Mehrzahl von Signalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade ausgibt. Die Mehrzahl von Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade von jedem der Verstärker 103 und 104 werden in einem Computer, dem Datenverarbeitungsteil 107, durch einen A-D-Wandler 106 wiedergewonnen. Zahlzeichen 105 bezeichnet die Leistungsquelle für die Verstärker 103 und 104.

Das Datenverarbeitungsteil 107 weist eine Kanalauswähleinrichtung, die eine Mehrzahl von Ausgangssignalen von dem A-D-Wandler 106 empfängt und nichtgesättigte Werte der Verstärker 103 und 104 oder des A-D-Wandlers 106 auswählt, während der größte Verstärkungsgrad von diesen Signalen aufrechterhalten wird, eine synchrone Signalverarbeitungseinrichtung, die synchron das ausgewählte Signal bei einer Modulationsfrequenz, die das Messlicht moduliert, signalverarbeitet, und eine Integrationseinrichtung, die das Signal, das der synchronen Signalverarbeitung unterzogen wird, integriert, auf.

4 veranschaulicht den Fluss einer Signalverarbeitung für ein Signal, das durch die Erfassungselemente 101 oder 102, die in 3 gezeigt sind, erfasst wird, von der Erfassung bis zur Datenverarbeitung in dem Datenverarbeitungsteil 107. Die Schaltungsstruktur, die durch das Erfassungselement 101, den Verstärker 103 und eine Leistungsquelle 105 gebildet wird, ist identisch mit derjenigen, die durch das Erfassungselement 102, den Verstärker 104 und die Leistungsquelle 105 gebildet wird, ein PbS-Element 111, das in 4 gezeigt ist, entspricht dem Erfassungselement 101 oder 102 in 3, während eine PbS-Element-Vorspannungsschaltung 110 und ein Strukturteil von einer Eingabepufferschaltung 112 zu einem Operationsverstärker 122 in 4 den Verstärkern 3 oder 4 in 3 entsprechen. Die PbS-Element-Vorspannungsschaltung 110 ist bereitgestellt, um einen konstanten Strom an das PbS-Element 111 zu liefern. Eine Ausgangsspannungsschwankung des PbS-Elements 111, das moduliertes Licht empfängt, wird in die Eingabepufferschaltung 112 eingegeben. Eine Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung 114 wandelt die Ausgangsspannungsschwankung der Eingabepufferschaltung 112 mittels eines resistiven Elements in eine Stromschwankung um. Eine Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung 118 gibt die Stromschwankung von der Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung 114 durch eine Stromspiegelschaltung 116 ein, und wandelt dieselbe in eine Spannungsschwankung um, die mit einer vorgeschriebenen Verstärkung mittels eines resistiven Elements verstärkt wird. Der Operationsverstärker 122 gibt ein Spannungsschwankungsausgangssignal der Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung 118 durch eine Aungabepufferschaltung 120 ein und gibt eine Mehrzahl von Signalen unterschiedlicher Verstärkungen an den A-D-Wandler 106 aus, während das Datenverarbeitungsteil 107 einen gemessenen Wert berechnet.

Die jeweiligen Teile dieses Verstärkers werden nun genauer beschrieben. Die Vorspannungsschaltung 110 ist als eine konstante Stromquelle wirksam, die eine Vorspannungsspannung von maximal 14 V an das PbS-Element 111 liefert. Ein Beispiel einer Vorspannungsschaltung 110 ist eine konstante Stromspiegelstromschaltung 132, deren Strom durch einen Stromeinstellwiderstand 130 eingestellt wird, und liefert einen konstanten Biasstrom an das PbS-Element 111, wie es in 5 gezeigt ist. Der Biasstrom, der zu dem PbS-Element 111 fließt, wird durch einen Stromeinstellwiderstandswert Rs zum Beispiel wie folgt eingestellt: Biasstrom = 14,0/Rs[A] wobei Rs > PbS-Element-Dunkelwiderstand.

Weitere Bezugnahme auf 4. Wenn Licht in das PbS-Element 111 eintritt, wird sein Widerstandswert geändert und ein Spannungsabfall entsprechend dem Widerstandswert des Elements tritt über das PbS-Element 111 auf.

Die Eingabepufferschaltung 112 empfängt den Spannungsabfall des PbS-Elements 111 als ein Eingangssignal. Eingabe- und Ausgabeteile der Eingabepufferschaltung 112 sind eine Quellenfolgerschaltung durch einen N-Kanal-FET und eine Emitterfolgerschaltung durch einen bipolaren Transistor, die Hocheingabe- und Niedrigausgabe-Impedanzschaltungen bei einem Verstärkungsgrad von 1 sind.

Die Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung 114 wird nur durch einen festen Widerstand gebildet. Wird angenommen, dass Vo eine Ausgangsspannung der Eingabepufferschaltung 112 darstellt, Rio einen Ausgangswiderstandswert der Eingabepufferschaltung 112 darstellt, Rci einen Eingangswiderstandswert der Stromspiegelschaltung 116 darstellt, und Rvi den Widerstandswert der Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung 114 darstellt, ist der Eingangsstrom für die Stromspiegelschaltung 116 wie folgt: Stromspiegelschaltungseingangsstrom = Vo/(Rio + Rvi + Rci)

Die Stromspiegelschaltung 116 ist als ein Strompuffer einer Niedrigeingabe-Impedanz und einer Hochausgabe-Impedanz bei einem Stromverstärkungsgrad von 1 wirksam.

Die Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung 118 wird nur durch einen festen Widerstand gebildet, und unter der Annahme, dass Io einen Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung 116 darstellt, Roi einen Eingangswiderstandswert der Ausgangspufferschaltung 120 darstellt und Riv den Widerstandswert der Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung 118 darstellt, ist die Eingangsspannung der Ausgabepufferschaltung 120 wie folgt: Ausgabepuffereingangsspannung = Io·Riv·Roi/(Riv + Roi)

Die Ausgabepufferschaltung 120 ist eine Emitterfolgerschaltung durch einen bipolaren Transistor und weist eine Hocheingabe-Impedanz und eine Niedrigausgabe-Impedanz bei einem Verstärkungsgrad von 1 auf.

Die Ausgabe von der Ausgabepufferschaltung 120 ist verzweigt und wird in vier Operationsverstärker 122 eingegeben. Die Operationsverstärker 122 werden als nicht-invertierende Verstärker verwendet und bilden eine Verstärkerschaltung, die Ausgangssignale mit vier Verstärkungsfaktoren des Einfachen, Fünffachen, Fünfundzwanzigfachen und Hundertfachen erzeugt.

Eine Gleichstromservoschaltung 124 legt die negative Rückkopplung eines Gleichstrombereichs an, um einen Bruch der Elemente, die die Schaltung bilden, zu verhindern, wenn ein übermäßiger Gleichstromversatz oder eine -Drift in der Ausgabepufferschaltung 120 verursacht wird.

Bei dem Verstärker, der in 4 gezeigt ist, werden Ausgangsspannungen (Verstärkerausgangsspannungen) von den Operationsverstärkern 122 mit Bezug auf den Widerstandswert Rd des PbS-Elements 111 in der folgenden Gleichung ausgedrückt: Verstärkerausgangsspannung

= (Vb·Rd/Rs)[{Riv·Roi/(Riv + Roi)}/(Rio + Rvi + Rci)]

× (Operationsverstärkerverstärkungsgrad)
wobei Vb eine Vorspannungsschaltungsspannung (Spannung über den Biasstromeinstellwiderstand) darstellt, Rd einen PbS-Elementwiderstandswert (&OHgr;) darstellt, Rs einen Biasstromeinstellwiderstandswert (&OHgr;) darstellt, Rio einen Eingabepufferausgangswiderstandswert (&OHgr;) darstellt, Rvi einen Spannung-zu-Strom-Umwandlungswiderstandswert (&OHgr;) darstellt, Rci einen Stromspiegelschaltungseingangswiderstandswert (&OHgr;) darstellt, Riv einen Strom-zu-Spannung-Umwandlungswiderstandswert (&OHgr;) darstellt und Roi einen Ausgabepuffereingangswiderstandswert (&OHgr;) darstellt.

Allgemein Rvi))(Rio + Rci) und Riv((Roi, und somit ist die Verstärkerausgangsspannung wie folgt: Verstärkerausgangsspannung

= (Vb·Rd/Rs)(Riv/Rvi) × (Operationsverstärkerverstärkungsgrad)

6 ist ein Blockdiagramm, das die Funktion des Datenverarbeitungsteils 107 zeigt. Das Datenverarbeitungsteil 107 führt eine synchrone Signalverarbeitung an PbS-Elementausgangsdaten, die in einer Datendatei gespeichert sind, durch, wobei das Ergebnis in der Datendatei gespeichert wird. Mit Bezugnahme auf 3 wird eine ähnliche Datenverarbeitung bei den beiden Systemen der Erfassungselemente 101 und 102 durchgeführt.

Eine Kanalauswähleinrichtung 140 wählt Daten des Maximalanalogeingangskanals ohne ein Sättigen des Signals von den Verstärkern 103 oder 104, die in 3 gezeigt sind, aus einer Mehrzahl von Analogeingangskanälen bei jedem System für ein Messsignal und ein Bezugssignal aus, wandelt dieselben in eine reelle Zahl um, die dieselbe dann in einer spezifischen Pufferschaltung speichert. Bei der Kanalauswahl werden A-D-Daten einer 16-Bit-Auflösung als gesättigt bestimmt, wenn dieselben „8000H" oder „7FFFH" sind. Die Umwandlung von einem Ganzzahltyp zu einem reellen Zahltyp von A-D-Daten wird gemäß der folgenden Gleichung durchgeführt: Reelle Zahldaten

= (Ganzzahldaten) × (10,0/32768) × (Korrigierter Verstärkungsgrad)

× (Kalibrierungsdaten).

Unter der Annahme, dass es vier Analogeingangskanäle von den Operationsverstärkern 122 zu dem A-D-Wandler 106, der in 4 gezeigt ist, für jedes System für Messsignale und Bezugssignale gibt, und dass Verstärkerverstärkungsgrade bei jedem System an Kanälen 0, 1, 2 bzw. 3 das Einhunderttausendfache, Fünfundzwanzigtausendfache, Fünftausendfache und Eintausendfache betragen, betragen die korrigierten Verstärkungsgrade 0,01, 0,04, 0,2 bzw. 1,0.

Die Kalibrierungsdaten sind angepasst, um Fehler zwischen den Verstärkungsgraden der jeweiligen Eingangssignale zu korrigieren. Das Datenverarbeitungsteil 107 weist eine Instrumentenfehlerbewahrungseinrichtung auf, die eine Mehrzahl von Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade von dem Verstärker in dem Fall eines Eingebens eines Signals einer konstanten Amplitude in den Verstärker vergleicht und Instrumentenfehler zwischen den Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade als die Kalibrierungsdaten bewahrt. Das Datenverarbeitungsteil 107 weist auch eine Verstärker-Ausgangssignal-Korrektureinrichtung auf, die das Ausgangssignal des Verstärkers unter Verwendung der Instrumentenfehler, die in der Instrumentenfehlerbewahrungseinrichtung bewahrt sind, korrigiert.

Die Datenmenge, die bei einer hohen Abtastfrequenz pro Zeiteinheit gemessen wird, ist aufgrund der hohen Abtastfrequenz erhöht. Deshalb weist das Datenverarbeitungsteil 107 eine Tiefpassfiltereinrichtung 142, die eine Hochfrequenzkomponente von dem Signal, das durch die Kanalauswähleinrichtung 140 ausgewählt wurde, beseitigt, und eine Datenüberspringungseinrichtung 144 auf, die einen Wert, der von einer Signalfolge extrahiert wird, die durch die Tiefpassfiltereinrichtung 142 durchgeleitet wird, jede Einheitsnummer als einen Signalwert betrachtet. Eine Verarbeitung mit einer kleineren Datenmenge wird durch eine Überspringungsverarbeitung ermöglicht.

Die erscheinende Abtastfrequenz wird durch die Überspringungsverarbeitung verringert und somit wird ein Spektrum von Aliasing-Rauschen, das der Abtastfrequenz entspricht, auf einem Frequenzspektrum des gemessenen Wertes überlagert. Das Frequenzspektrum unmittelbar nach einer A-D-Umwandlung wird periodisch um eine Frequenz eines ganzzahligen Vielfachen der Abtastfrequenz Fs in der Periode der Abtastfrequenz Fs verteilt. Wenn zum Beispiel 1/2 Überspringungsverarbeitung bei diesem Signal durchgeführt wird, ändert sich ein Spektrum um die Abtastfrequenz Fs zu einem Spektrum um Fs/2. Folglich erscheint ein Aliasing-Rauschen um Fs/2 bei einem Signalband als eine Rauschkomponente, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verringern. Die Tiefpassfilterverarbeitung wird vor der Überspringungsverarbeitung durchgeführt, um dies zu verhindern.

Um nur eine Modulationsfrequenzkomponente des Signals von den übersprungenen Daten zu extrahieren, führt eine synchrone Signalverarbeitungsvorrichtung 148 eine synchrone Signalverarbeitung zum genauen Extrahieren nur der Modulationsfrequenzkomponente durch. Ein Bandpassfilter mit einem Durchlassband bei der Modulationsfrequenz wird zum Verbessern des Signal-Rausch-Verhältnisses der synchronen Signalverarbeitung vor der synchronen Signalverarbeitung verwendet.

Die Frequenz des Signals kann von der Modulationsfrequenz vor der synchronen Signalverarbeitung verschoben werden, und somit kann die Genauigkeit der synchronen Signalverarbeitung durch ein Korrigieren dieser Verschiebung verbessert werden. Eine Frequenzverschiebungskorrektureinrichtung 150 misst die Verschiebung zwischen der Frequenz des Signals, das in die synchrone Signalverarbeitungseinrichtung 148 eingegeben wird, und der Modulationsfrequenz und korrigiert die Synchronisierfrequenz der synchronen Signalverarbeitungseinrichtung 148 auf der Grundlage des Ergebnisses. Bei dieser Korrektur wird ein Punkt erhalten, bei dem das Eingangssignal von positiv zu negativ oder von negativ zu positiv wechselt (Nullkreuzungspunkt), und die Frequenz des Eingangssignals wird aus der Entfernung des Nullkreuzungspunktes erhalten. Eine synchrone Signalverarbeitung mit hervorragender Synchronisationsgenauigkeit wird implementiert durch ein Bestimmen dieser Frequenz als einer Lokaloszillationsfrequenz.

Ein konstanter Wert (Gleichsignalkomponente) wird von dem Signal, das durch die synchrone Signalverarbeitung moduliert wird, benötigt, die Hochfrequenzkomponente wird durch eine Tiefpassfiltereinrichtung 152 beseitigt.

Die Daten, die durch die Tiefpassfiltereinrichtung 152 durchgeleitet werden, werden durch eine digitale Integrationseinrichtung 154 integriert. Ein Amplitudenwert des Messsignals wird durch die Integration erhalten. Die Genauigkeit der Integration wird verbessert, wenn ihre Zeitkonstante erhöht wird. Deshalb wird eine Berechnung vorhergehend an einem Wert, der nahe dem wirklichen Wert ist, mit einer kleinen Zeitkonstante konvergiert, und der Wert wird dann mit einer großen Zeitkonstante als ein Anfangswert konvergiert, wodurch die Berechnungsgeschwindigkeit verbessert wird. Die integrierten Daten werden in einer Speichervorrichtung 156 bewahrt.

Wenn die Leistungsversorgungsspannung des Verstärkers tatsächlich mit einer Messvorrichtung gemessen wird und korrigiert wird, indem ein Verhältnis zu einer voreingestellten Bezugsspannung genommen wird, kann eine Verschiebung des absoluten Wertes des gemessenen Wertes korrigiert werden. Deshalb weist das Datenverarbeitungsteil 107 ferner eine Messungsergebniskorrektureinrichtung auf, die die Leistungsversorgungsspannung des Verstärkers misst und das Ergebnis der Messung durch ein Verhältnis zu der voreingestellten Bezugsspannung korrigiert.

Diese Datenverarbeitung wird bezüglich des Messlichts und des Bezugslichts unabhängig voneinander durchgeführt. Eine Driftkomponente des gemessenen Wertes wird durch ein Teilen und Korrigieren des Datenverarbeitungsergebnisses eines Messlichterfassungssignals durch dasjenige eines Bezugslichterfassungssignals beseitigt.

7 ist ein Flussdiagramm, das die Operation in dem Datenverarbeitungsteil 107 zeigt. Eine Mehrzahl von Ausgangssignalen unterschiedlicher Verstärkungsgrade von dem Verstärker werden A-D-gewandelt zum Auswählen einer Nicht-Sättigung von Signalen, während der maximale Verstärkungsgrad aufrechterhalten wird. Das ausgewählte Signal wird einer Tiefpassfilterverarbeitung unterzogen und danach der Datenüberspringungsverarbeitung des Betrachtens eines Wertes, der pro Einheitsnummer extrahiert wird, als einen Signalwert unterzogen. Um weißes Rauschen von den übersprungenen Daten zu beseitigen, wird eine synchrone Signalverarbeitung durch eine Bandpassfilterverarbeitung durchgeführt. Bei der synchronen Signalverarbeitung wird eine Verschiebung zwischen der Frequenz des Signals und der Modulationsfrequenz zum Korrigieren der Synchronisierfrequenz gemessen. Eine Hochfrequenzkomponente wird von dem Signal, das der synchronen Signalverarbeitung unterzogen wird, durch eine Tiefpassfilterverarbeitung entfernt, und danach wird eine Integrationsverarbeitung zum Bewahren der Daten durchgeführt.


Anspruch[de]
  1. Eine Photoerfassungsvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist:

    eine Modulationseinrichtung zum Modulieren von Meßlicht;

    ein Erfassungselement (101, 102) zum Ausgeben eines Signals ansprechend auf das Meßlicht;

    einen Verstärker (103, 104) zum Eingeben eines Ausgangssignals des Erfassungselements (101, 102) und zum gleichzeitigen Ausgeben einer Mehrzahl von Signalen mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden;

    einen A-D-Wandler (106) zum Umwandeln der Mehrzahl von Ausgangssignalen mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden von dem Verstärker in digitale Signale; und

    ein Datenverarbeitungsteil (107), das zumindest eine Kanalauswähleinrichtung (140) zum Eingeben der Mehrzahl von Ausgangssignalen von dem A-D-Wandler (106) und Auswählen eines nichtgesättigten Werts des Verstärkers oder des A-D-Wandlers (106), während der größte Verstärkungsgrad von den Signalen aufrechterhalten wird, eine synchrone Signalverarbeitungseinrichtung (148) zum Überlagern des Signals, dessen Wert ausgewählt wurde, mit einem Oszillationssignal, das synchron zu einer Modulationsfrequenz ist, zum Modulieren des Meßlichts, und eine Integrationseinrichtung (154) zum Erhalten eines gemessenen Werts durch Integration des Signals, das einer synchronen Signalverarbeitung unterzogen wird, umfaßt.
  2. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der

    der Verstärker (103, 104) folgende Merkmale aufweist:

    eine Eingabepufferschaltung (112) zum Eingeben eines modulierten Ausgangssignals des Erfassungselements (111);

    eine Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung (114) zum Umwandeln einer Ausgangsspannungsschwankung der Eingabepufferschaltung (112) in eine Stromschwankung mittels eines resistiven Elements;

    eine Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung (118) zum Umwandeln der Stromschwankung durch die Spannung-zu-Strom-Umwandlungsschaltung (114) in eine Spannungsschwankung, die in einer vorgeschriebenen Vergrößerung mittels eines resistiven Elements verstärkt ist; und

    eine Verstärkerschaltung (122) zum Eingeben eines Stromschwankungsausgangssignals der Strom-zu-Spannung-Umwandlungsschaltung (118) durch eine Ausgabepufferschaltung (120) und zum Ausgeben einer Mehrzahl von Signalen unterschiedlicher Vergrößerungen.
  3. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Datenverarbeitungsteil (107) ferner eine Tiefpaßfiltereinrichtung (142) zum Beseitigen einer Hochfrequenzkomponente, die für die synchrone Signalverarbeitung unnötig ist, von dem Signal, das durch die Kanalauswähleinrichtung (140) ausgewählt wurde, und eine Datenüberspringungseinrichtung (144), um einen Wert, der von einer Signalfolge extrahiert wird, die durch die Tiefpaßfiltereinrichtung durchgeleitet wird (142), jede Einheitsnummer in einem konstanten Intervall, als einen Signalwert zu betrachten, zwischen der Kanalauswähleinrichtung (140) und der synchronen Signalverarbeitungseinrichtung (148), umfaßt.
  4. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die synchrone Signalverarbeitungseinrichtung (148) ferner eine Bandpaßfiltereinrichtung (146) zum Durchleiten der Modulationsfrequenz durch dieselbe an einer Front-Stufe derselben aufweist.
  5. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Frequenzverschiebungskorrektureinrichtung (150) zum Messen einer Verschiebung zwischen einer Frequenz eines Signals, das in die synchrone Signalverarbeitungseinrichtung (148) eingegeben wurde, und der Modulationsfrequenz und zum Korrigieren der Synchronisierfrequenz der synchronen Signalverarbeitungseinrichtung (148) auf der Basis des Ergebnisses aufweist.
  6. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Tiefpaßfiltereinrichtung (152) zum Beseitigen einer Hochfrequenzkomponente, die für das Integrationsverarbeiten zwischen der synchronen Signalverarbeitungseinrichtung (148) und der Integrationseinrichtung (154) unnötig ist, aufweist.
  7. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Integrationseinrichtung (154) angepaßt ist, um eine Integrationsverarbeitung eines ordnungsgemäßen Zeitpunkts mit einer ordnungsgemäßen Integrationszeitkonstante zum Betrachten des Ergebnisses als Anfangswert und zum nochmaligen Durchführen der Integrationsverarbeitung mit einer Integrationszeitkonstante, die größer ist als die Integrationszeitkonstante, durchzuführen.
  8. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Instrumentenfehlerbewahrungseinrichtung zum Vergleichen einer Mehrzahl von Ausgangssignalen des Verstärkers (122) mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden in dem Fall eines Eingebens eines Signals mit einer konstanten Amplitude in den Verstärker (122) miteinander und zum Bewahren der Ergebnisse als Instrumentenfehler zwischen den Ausgangssignalen mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden, und eine Verstärker-Ausgangssignal-Korrektureinrichtung zum Korrigieren der Ausgangssignale des Verstärkers durch die Instrumentenfehler, die in der Instrumentenfehlerbewahrungseinrichtung bewahrt wurden, aufweist.
  9. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Messungsergebniskorrektureinrichtung zum Messen der Leistungsversorgungsspannung des Verstärkers (122) und zum Korrigieren des Messungsergebnisses durch sein Verhältnis zu einer zuvor eingestellten Bezugsspannung aufweist.
  10. Die Photoerfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Erfassungselement (101, 102) und der Verstärker (103, 104) sowohl für eine Meßlichterfassung als auch eine Bezugslichterfassung vorgesehen sind, der A-D-Wandler (106) angepaßt ist, um sowohl ein Meßlichterfassungssignal als auch ein Bezugslichterfassungssignal in digitale Signale umzuwandeln, und das Datenverarbeitungsteil (107) angepaßt ist, um ebenfalls eine ähnliche Datenverarbeitung bezüglich des Bezugslichterfassungssignals durchzuführen, zum Teilen und Korrigieren des Datenverarbeitungsergebnisses des Messlichterfassungssignals durch das des Bezugslichterfassungssignals.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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